Apakah itu PWM dan bagaimana ia berfungsi?8 min read

Sebelum kita mempelajari apakah itu PWM dan bagaimana ia berfungsi, kita perlu tahu jenis isyarat elektrik yang wujud. Dalam dunia elektronik, terdapat dua isyarat elektrik yang wujud iaitu isyarat digital dan isyarat analog. Isyarat analog adalah isyarat yang mempunyai apa-apa nilai manakala isyarat digital hanya mempunyai dua nilai sama ada nilai ‘tinggi’ dan juga nilai ‘rendah’ yang juga secara ringkasnya juga dipanggil nilai ‘1’ dan ‘0’. Kedua-dua jenis isyarat ini dikendalikan dengan cara yang berbeza dalam dunia elektronik, namun perlu bekerjasama antara mereka (ini dipanggil “mixed singnal electronics” atau elektronik isyarat campuran).

Contohnya, jurutera elektronik sering kali perlu mengambil bacaan daripada sensor contohnya suhu yang merupakan sejenis signal analog kerana ia mempunyai apa-apa nilai. Untuk membolehkan mikropengawal atau komputer memahami isyarat ini, ianya perlu ditukarkan kepada isyarat digital (dalam bentuk ‘0’ dan ‘1’) terlebih dahulu kerana mikropengawal dan komputer hanya memahami dan memproses isyarat digital. Penukaran isyarat analog kepada isyarat digital dibantu menggunakan ADC atau “analog-to-digital converter” atau penukar analog ke digital. Bagaimanapula dengan output oleh mikropengawal? Bagaimana mikropengawal yang merupakan peranti digital mengeluarkan output dalam bentuk analog?

Maka, datanglah PWM menyelamatkan keadaan. PWM adalah satu cara untuk mengawal peranti analog menggunakan signal digital. Signal digital yang kita maksudkan disini adalah signal PWM itu sendiri. Mikropengawal mampu mengeluarkan signal digital dalam bentuk PWM yang menyerupai seakan signal analog untuk mengawal peranti analog seperti motor, lampu LED dan pembesar suara. PWM bukanlah output analog yang sebenar. Ia hanyalah menyerupai seakan signal analog dengan cara mengeluarkan signal dalam bentuk denyutan.

Apakah itu PWM?

PWM adalah singkatan daripada Pulse Width Modulation atau dalam bahasa melayu dipanggil modulasi lebar denyut. PWM adalah sejenis isyarat yang berdenyut dan denyutan tersebut adalah dalam bentuk gelombang persegi (square wave). Nilai amplitud gelombang ini adalah sama ada ‘tinggi’ atau ‘rendah’. Contohnya jika nilai ‘tinggi’ tersebut adalah 5V, isyarat PWM akan mempunyai nilai sama ada 5V atau 0V. Nama “Pulse Width Modulation” wujud kerana kebolehan untuk kita mengawal lebar denyut isyarat tersebut. Cara untuk mengawal lebar denyut isyarat akan dibincangkan pada bahagian seterusnya.

Pengiraan dalah PWM

Untuk membolehkan kita mengawal isyarat PWM supaya ia memberikan output yang kita ingini, terdapat dua parameter yang perlu kita kira dan tentukan iaitu kitar tugas dan juga frekuensi.

Kitar Tugas (Duty Cycle)

Maksud kitar tugas adalah pecahan satu tempoh ketika isyarat berada dalam keadaan aktif, sering kali dinyatakan dalam bentuk peratusan. Isyarat elektrik DC yang hanya sentiasa mempunyai nilai voltan contohnya 5V umpama mempunyai kitar tugas bersamaan 100%. Manakala isyarat DC yang hanya mempunyai nilai 0V, umpama mempunyai kitar tugas bersamaan 0%. Bagaimana jika kita inginkan voltan tengah-tengah antara nilai 0V dan 5V tersebut?

Isyarat PWM ini boleh dikawal supaya ianya mempunyai nilai purata yang kita inginkan peratusan daripada nilai ‘tinggi’. Contohnya, pada nilai ‘tinggi’ 5V, jika kita inginkan purata voltan separuh daripada nilai ‘tinggi’ tersebut, kitar tugas boleh di setkan pada 50% menghasilkan nilai purata 2.5V. Untuk membolehkan kita mengawal kitar tugas ini, terdapat dua parameter yang perlu kita tentukan pada isyarat PWM iaitu “on time” (masa hidup) dan juga “off time” (masa tutup). Durasi isyarat ini dalam keadaan ‘tinggi’ dipanggil “masa hidup” dan durasi ketika dalam ampllitud ‘rendah’ dipanggil ‘masa tutup’. Formula bagi kitar tugas adalah seperti berikut:

Kitar\:Tugas=\frac{T_{on} }{T_{on}+T_{off}}

Setelah kita tahu nilai kitar tugas, voltan output yang dihasilkan oleh PWM boleh dikara dengan formula:

V_{out}=Kitar\:Tugas\times V_{tinggi}

Frekuensi PWM

Setiap isyarat yang berulang seperti isyarat sin, cos termasuklah isyarat PWM mempunyai nilai frekuensi sebagai satu parameter yang penting. Frekuensi PWM menentukan berapa pantas isyarat PWM menyelesaikan satu kitaran (period). Formula bagi frekuensi PWM adalah:

Frekuensi=\frac{1}{T}

Dimana T adalah tempoh isyarat untuk menyelesaikan satu kitaran yang boleh ditentukan oleh:

T=T_{on}+T_{off}

Mengapa perlu untuk menentukan frekuensi yang dihasilkan oleh PWM? Ini kerana lain aplikasi memerlukan frekuensi yang berbeza. Contohnya frekuensi yang diperlukan untuk mengawal motor elektrik DC contohnya adalah 50Hz manakala frekunsi yang diperlukan dalam aplikasi inverter adalah 500Hz. Mari kita lihat apakah lagi aplikasi-aplikasi yang melibatkan penggunaan PWM.

Aplikasi PWM

1. Mengawal kecerahan lampu

Jika anda mempunyai mentol atau lampu yang canggih, anda semestinya mampu mengawal berapa terang atau warna lampu tersebut. Kecerahan lampu tersebut dikawal oleh isyarat PWM. Kecerahan yang paling tinggi bermaksud kitar tugas isyarat PWM tersebut adalah 100% manakala kecerahan yang paling rendah apabila kitar tugas PWM adalah 0%. Terdapat dua cara untuk mengawal kecerahan lampu: menggunakan perintang boleh ubah dan juga PWM. Menggunakan peringtang boleh ubah bermaksud anda menukarkan sebahagian tenaga cahaya kepada tenaga haba. Ini bermaksud, terdapat tenaga yang dibazirkan dalam bentuk haba. Dalam kaedah PWM, tiada tenaga dibazirkan kerana ianya hanyalah umpama suis yang dibuka dan ditutup dengan laju berulang kali. Tiada arus elektrik yang dibazirkan.

2. Mengawal kelajuan motor

Sama konsep dengan mengawal kecerahan lampu LED, PWM juga boleh digunakan untuk mengawal kelajuan motor berberus sebagai kaedah efisien berbanding menggunakan perintang boleh ubah. Motor jenis tanpa berus (BLDC) pula mempunyai papan litar kawalan (ESC-Electronic Seed Control) yang terdiri daripada transistor yang menerima input dalam bentuk PWM. Litar ESC tersebut kebiasanya menerima input PWM yang mempunyai frekuensi 50Hz dan berkitar tugas antara 5% dan 10%.

3. Menghasilkan isyarat audio

Menggunakan PWM adalah salah satu cara untuk menghasilkan audio. Isyarat audio yang mempunyai berlainan nada mempunyai berlainan frekuensi. Mikropengawal boleh menghasilkan isyarat PWM berlainan frekuensi untuk menghasilkan tone yang berbeza. Kitar tugas PWM menentukan berapa kuat audio tersebut.

4. Mengekod mesej dalam telekomunikasi

Selain menggunakan isyarat sinusoidal untuk mengekod mesej dalam telekomunikasi, isyarat PWM juga boleh digunakan. Caranya adalah dengan mengubah lebar denyutan (iaitu dengan mengawal “masa hidup”) berpadanan dengan nilai yang ingin dikodkan. Contohnya adalah seperti gambarajah dibawah dimana lebar denyutan yang tinggi digunakan untuk menyimpan nilai data yang tinggi.

Cara menghasilkan PWM

PWM adalah sejenis isyarat elektrik yang boleh dihasilkan oleh litar bersepadu digital seperti mikropengawal dan 555 timer (pemasa 555). Isyarat PWM di dalam mikropengawal boleh dihasilkan dengan ciri ‘timer’ yang terdapat di dalamnya. Mengeluarkan isyarat PWM daripada mikropengawal memerlukan sedikit penulisan kod. Contohnya termudah, jika anda menggunakan arduino, fungsi digitalWrite() boleh digunakan untuk menghasilkan PWM. Selain daripada menggunakan mikropengawal, IC 555 timer juga boleh digunakan untuk menghasilkan isyarat PWM. Ianya mudah dan tidak memerlukan kod untuk ditulis. Tetapi, anda perlu membina sedikit litar kecik yang terdiri daripada resistor dan kapasitor. Banyak contoh litar yang dikongsikan di Internet yang boleh didapati dengan carian Google “555 timer pwm circuit“. Mungkin kita boleh belajar macam mana cara untuk meghasilkn PWM dengan lebih mendalam dalam artikel akan datang.

Konklusi

Kita telah mempelajari apakah itu PWM dan bagaimana ia berfungsi. Secara ringkasnya, PWM adalah sebuah isyarat elektrik digital berbentuk gelombang persegi yang boleh dilaras kitar tugasnya untuk menghasilkan purata voltan output peratusan daripada nilai ‘tinggi’. PWM wujud untuk menyelesaikan masalah komponen elektronik digital untuk mengawal komponen analog seperti motor. Akhir sekali, PWM juga digunakan untuk mengelakkan pembaziran arus elektrik kerana ia berfungsi seperti suis yang dibuka dan ditutup dengan laju.